本發(fā)明涉及機械手技術領域，尤其涉及一種單驅動擬人機械手。

背景技術：

隨著商用情感機器人的普及，擬人機械手成為人機交互的表現形式之一。現有擬人機械手，主要的驅動模式是使用單一驅動進行全部五指驅動，動作單一；使用五驅動實現全指分別驅動，結構復雜程度高，控制復雜。

為了解決這個問題，現有方案，使用單一驅動動力，傳動機構以線繩和滑輪拉動手指運動為主。但是這種驅動方式，雖然也使用了單一驅動單元，但是動作簡單，只能實現手抓的開合，并且無法為手指提供持續(xù)的動力保持手指的姿態(tài)，機械手是可以輕易受外力改變位置的。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發(fā)明要解決的技術問題是解決現有技術中單驅動擬人機械手的手勢單一的問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種單驅動擬人機械手，包括手掌以及與所述手掌轉動連接的兩個手指組，每個所述手指組包括一根手指或多根連接在一起的手指；所述手掌內設有電機以及差速器，所述電機的輸出軸設有動力輸出齒輪，所述差速器的動力輸入齒輪與所述動力輸出齒輪嚙合；所述差速器的兩個輸出半軸與兩個所述手指組一一對應，且所述差速器的輸出半軸通過嚙合的齒輪對與其對應的所述手指組連接，用于驅動所述手指組的手指動作，所述嚙合的齒輪對包括設于所述手指組靠近手掌一端的手指驅動齒輪以及設于所述差速器輸出半軸的差速齒輪。

根據本發(fā)明，所述手指組靠近所述手掌一端設有多個同軸的所述手指驅動齒輪，所述差速齒輪與至少兩個相鄰的所述手指驅動齒輪同時嚙合。

根據本發(fā)明，兩個所述手指組分為第一手指組和第二手指組，所述第一手指組包括食指，所述第二手指組包括連接在一起的中指、無名指和小指。

根據本發(fā)明，所述第一手指組還包括拇指，所述拇指靠近所述手掌的一端通過連桿連接在所述手指驅動齒輪或所述差速齒輪的端面偏心位置，且所述連桿的兩端均采用球接頭連接。

根據本發(fā)明，所述中指、無名指以及小指通過依次穿過所述中指、無名指和小指靠近所述手掌一端的六角軸固定連接。

根據本發(fā)明，所述手掌連接手指的一端設有多個平行的安裝座，每個所述安裝座均設有安裝孔，所述六角軸套設于所述安裝孔內，且與所述安裝座轉動連接。

根據本發(fā)明，所述手掌內還設有兩個差速鎖分別用于控制所述差速器兩個輸出半軸是否轉動。

根據本發(fā)明，所述差速鎖包括U型板、電磁鐵、彈簧以及磁性材料，所述電磁鐵以及所述彈簧的一端均通過支架固定在手掌內，所述彈簧套設在電磁鐵外側，所述彈簧的另一端固定在U型板的底板，所述磁性材料設置在U型板的底板上，通過控制所述電磁鐵的通斷使所述U型板的兩個側板末端卡在所述差速齒輪的兩個齒槽內或者遠離所述差速齒輪。

根據本發(fā)明，所述電機沿所述手掌的長度方向設置，所述差速器包括第一殼體和第二殼體、多個行星齒輪、第一半軸齒輪和第二半軸齒輪，所述差速器的輸出半軸分為與所述第一半軸齒輪固定連接的第一輸出半軸和與所述第二半軸齒輪固定連接的第二輸出半軸；

所述第一殼體和第二殼體均包括齒輪容納段和半軸連接段，所述第一殼體和第二殼體的齒輪容納段共同圍成齒輪容納腔；所述第一輸出半軸與所述第一殼體的半軸連接段可轉動連接，所述第二輸出半軸與所述第二殼體的半軸連接段固定連接；

所述動力輸入齒設于所述第一殼體遠離所述第二殼體的端面邊緣處；

所述第一殼體的齒輪容納段內壁上設有多個用于連接行星齒輪的轉軸。

根據本發(fā)明，所述行星齒輪設有三個，且三個所述行星齒輪呈星型分布。

根據本發(fā)明，所述手掌內設有第一支架，所述第一支架包括兩個第一支撐板，兩個所述第一支撐板上均設有通孔，所述第一殼體和第二殼體的半軸連接段分別套設于兩個所述第一支撐板的通孔內，并通過軸承連接。

根據本發(fā)明，所述輸出半軸為空心軸，且所述輸出半軸用于連接所述差速齒輪的一端開設有沿所述輸出半軸長度方向的U型槽，所述差速齒輪的中心孔處設有與所述U型槽相配合的鍵。

根據本發(fā)明，所述差速齒輪的中心孔為臺階孔，包括靠近所述輸出半軸的第一孔段和遠離所述輸出半軸的第二孔段，第一孔段的直徑大于所述第二孔段的直徑；

所述手掌內設有第二支架，所述第二支架包括兩個所述第二支撐板，所述第二支撐板上設有通孔，兩個所述第二支撐板分別位于兩個所述差速齒輪遠離所述輸出半軸的一端，所述第二支撐板與所述差速齒輪通過穿過所述第二支撐板的通孔和所述第二孔段的軸承銷連接。

根據本發(fā)明，兩個所述第二支撐板之間設有連接板，所述電機固定于所述連接板上。

(三)有益效果

本發(fā)明的上述技術方案與現有技術相比具有如下優(yōu)點：本發(fā)明實施例提供的一種單驅動擬人機械手通過將多個手指進行分組以及設置的差速器，實現了在由一個電機單驅動的情況下實現多個不同的手勢，解決了現有技術中單驅動機械手僅能張開或握拳的技術難題。單驅動實現多個不同手勢，整體結構緊湊、重量輕、體積小。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的單驅動擬人機械手的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的第二手指組的結構示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例提供的手掌內部的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例提供的第一手指組的結構示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例提供的單驅動擬人機械手的張開手勢示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例提供的單驅動擬人機械手握拳手勢示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例提供的單驅動擬人機械手“伸出食指觸碰”手勢示意圖；

圖8是本發(fā)明實施例提供的單驅動擬人機械手“OK”手勢示意圖；

圖9是本發(fā)明實施例提供的單驅動擬人機械手由握拳手勢變換為張開手勢的變化狀態(tài)示意圖；

圖10是本發(fā)明實施例提供的單驅動擬人機械手由張開手勢變換為握拳手勢的變化狀態(tài)示意圖；

圖11是本發(fā)明實施例提供的單驅動擬人機械手由張開手勢變換為“伸出食指觸碰”手勢的變化狀態(tài)示意圖；

圖12是本發(fā)明實施例提供的單驅動擬人機械手設置差速鎖后由張開手勢變換為“伸出食指觸碰”手勢的變化狀態(tài)示意圖；

圖13是本發(fā)明實施例提供的單驅動擬人機械手拾取物體狀態(tài)示意圖；

圖14是本發(fā)明實施例提供的單驅動擬人機械手與第一手指組對應的差速鎖工作狀態(tài)的結構示意圖；

圖15是本發(fā)明實施例提供的手掌內部爆炸示意圖；

圖16是本發(fā)明實施例提供的差速器的爆炸示意圖；

圖17是本發(fā)明實施例提供的差速器另一角度的爆炸示意圖。

圖中：1：手掌；2：第一手指組；3：第二手指組；4：電機；5：差速器；51：動力輸入齒輪；52：第一輸出半軸；53：第二輸出半軸；54：第一殼體；55：第二殼體；56：行星齒輪；57：U型槽；58：第一半軸齒輪；59：第二半軸齒輪；6：動力輸出齒輪；7：手指驅動齒輪；8：差速齒輪；9：連桿；10：球接頭；11：六角軸；12：安裝座；13：安裝孔；14：差速鎖；15：U型板；16：電磁鐵；17：彈簧；18：鐵片；19：第一支撐板；20：軸承；21：第二支撐板；22：軸承銷；23：連接板；24：增強軸；25：限位槽。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

如圖1至圖4所示，本發(fā)明實施例提供的一種單驅動擬人機械手，包括手掌1以及與手掌1轉動連接的兩個手指組，每個手指組包括一根手指或多根連接在一起的手指；手掌1內設有電機4以及差速器5，電機4的輸出軸設有動力輸出齒輪6，差速器5的動力輸入齒輪51與動力輸出齒輪6嚙合；差速器5的兩個輸出半軸與兩個手指組一一對應，且差速器5的輸出半軸通過嚙合的齒輪對與其對應的手指組連接，用于驅動手指組的手指動作，嚙合的齒輪對包括設于手指組靠近手掌1一端的手指驅動齒輪7以及設于差速器5輸出半軸的差速齒輪8。由于差速器5具有動力自由分配的功能，可以根據兩個手指組運動阻力不同來實現電機4驅動差速器5動作時，兩個手指組不同時動作，從而實現多個手勢，具體地，本實施例中可以通過兩個手指組的質量不同來實現運動阻力的不同，也可以是通過兩個手指組的結構不同來實現運動阻力的不同。本實施例中機械手工作時也可以是通過差速器5一側輸出半軸的鎖止來實現僅一側手指組動作，從而表現出不同的手勢。

例如，本實施例中兩個手指組分為第一手指組2和第二手指組3，第一手指組2包括食指，第二手指組3包括連接在一起的中指、無名指和小指。優(yōu)選地，本實施例中的手指均采用四連桿機構，需要說明的使手指的結構并不限于采用四連桿機構實現手指彎曲和伸直，也可以采用其他能夠在手指驅動齒輪7的帶動下實現手指彎曲和伸直的機械結構。第二手指組3的運動阻力大于第一手指組2的運動阻力，假設機械手處于握拳手勢，即第一手指組2和第二手指組3均為彎曲狀態(tài)時，電機4工作，第二手指組3由于受到的運動阻力較大，差速器5用于驅動第一手指組2的輸出半軸首先轉動，第二手指組3保持不動，則機械手表現出的“伸出食指觸碰”的手勢，隨后，由于第一手指組2運動到位后運動阻力增大，第二手指組3動作伸開所有手指，機械手表現出全部手指展開的手勢。實現了三個不同的手勢。

進一步地，如圖4所示，本實施例中第一手指組2還包括拇指，拇指靠近手掌1的一端通過連桿9連接在手指驅動齒輪7或差速齒輪8的端面偏心位置，且連桿9的兩端均采用球接頭10連接。通過連桿9的轉動實現拇指隨食指一起運動。第一手指組2的運動阻力小于第二手指組3的運動阻力。如圖9所示，當機械手處于握拳手勢時，電機4動作，拇指和食指首先展開，表現出“伸出食指觸碰”的手勢后，其余手指也展開，機械手表現出張開手掌的手勢。如圖10所示，當機械手處于張開手掌的手勢時，電機4動作，拇指和手指首先彎曲，表現出“OK”的手勢，隨后其余手指也彎曲，機械手表現出握拳的手勢。實現了如圖5-圖8所示的4個不同的手勢。本發(fā)明實施例提供的機械手設置手指的個數并不具體限定，不同的手指個數可以實現多個不同的手勢。

進一步地，如圖2所示，本實施例中中指、無名指以及小指通過依次穿過中指、無名指和小指靠近手掌1一端的六角軸11固定連接，實現中指、無名指和小指的同步聯動。通過六角軸11固定連接的方式簡單便于加工以及安裝操作。優(yōu)選地，本實施例中第二手指組3中的各個手指靠近手掌1的一端還設有增強軸24，增強第二手指組3的運動阻力。

進一步地，如圖3所示，本實施例中手掌1連接手指的一端設有多個平行的安裝座12，每個安裝座12均設有安裝孔13，六角軸11套設于安裝孔13內，且與安裝座12轉動連接。六角軸11的軸線與第二手指組3對應的手指驅動齒輪7的軸線相同。通過設置在手掌1端部的安裝座12實現手掌1與手指組的轉動連接，安裝座12的安裝孔13直接套設在六角軸11外側結構簡單緊湊。具體的，本實施例中手掌1與食指和拇指連接的位置也設置有安裝座12，與食指和拇指對應的安裝座12分別與食指和拇指的手指驅動齒輪7的中心通過轉軸轉動連接。

本發(fā)明實施例提供的一種單驅動擬人機械手通過將多個手指進行分組以及設置的差速器5，實現了在由一個電機4單驅動的情況下實現多個不同的手勢，解決了現有技術中單驅動機械手僅能張開或握拳的技術難題。單驅動實現多個不同手勢，整體結構緊湊、重量輕、體積小。

如圖13所示，本發(fā)明實施例提供的機械手在拾取物體時，由于差速器5的動力分配功能，機械手的兩個手指組將受到不同的阻力，這個阻力將通過手指關節(jié)傳遞到差速器5內，從而對輸入動力進行重新動力分配。

假設被拾取物體首先與第二手指組3中的手指接觸，但是此時第一手指組2的手指未接觸物體，則通過差速器5將更多的動力分配到第一手指組2，使第一手指組2以更快的速度去接觸物體。

假設被拾取物體首先與第一手指組2中的手指接觸，但是此時第二手指組3的手指未接觸物體，則通過差速器5將更多的動力分配到第二手指組3，使第二手指組3以更快的速度去接觸物體。

在抓取到物體后，第一手指組2和第二手指組3的全部手指接觸物體，兩個手指組接觸到物體的位置可能不同，由于差速器5的存在，此時已經抓取的物體，如果由于外力從第一手指組2方向逃逸，即第一手指組2被迫打開，第二手指組3會抓的更緊，反之，如果由于外力從第二手指組3方向逃逸，即第二手指組3被迫打開，第一手指組2會抓的更緊。由于差速器5的存在，在不提供主動動力時，本發(fā)明實施例提供的擬人機械手可以形成自鎖，為被拾取的物體提供姿態(tài)持續(xù)保持功能。

進一步地，本實施例中手指組靠近手掌1一端設有多個同軸的手指驅動齒輪7，差速齒輪8與至少兩個相鄰的手指驅動齒輪7同時嚙合。差速齒輪8的齒寬設置較大增大了齒輪嚙合的面積，使得手指組受力更加均衡，能夠更好的承載動力端的動力供給，以及手指端的反向動力。

進一步地，如圖14所示，本實施例中手掌1內還設有兩個差速鎖14分別用于控制差速器5兩個輸出半軸是否轉動。當其中一個差速鎖14工作時，其對應的輸出半軸無法轉動，電機4輸出的動力均流向另一個輸出半軸，可以實現手勢狀態(tài)的快速變換以及保持。例如，如圖12所示，當第一手指組2包括拇指和食指，第二手指組3包括中指、無名指和小指時，與第一手指組2對應的差速鎖14工作，機械手可以快速地由張開手勢轉變?yōu)椤吧斐鍪持赣|碰”的手勢，并且可以保持該狀態(tài)不變。與圖11中所示的沒有設置差速鎖14時機械手實現張開手勢到“伸出食指觸碰”手勢的變換過程相比較，省去了中間必須經歷的“OK”手勢和握拳手勢，手勢的變換更加快速。

進一步地，如圖15所示，本實施例中差速鎖14包括U型板15、電磁鐵16、彈簧17以及磁性材料，電磁鐵16以及彈簧17的一端均通過支架固定在手掌1內，彈簧17套設在電磁鐵16外側，彈簧17的另一端固定在U型板15的底板，磁性材料設置在U型板15的底板上，通過控制電磁鐵16的通斷使U型板15的兩個側板末端卡在差速齒輪8的兩個齒槽內或者遠離差速齒輪8。磁性材料優(yōu)選為貼在U型板15底板的鐵片18。具體地，本實施例中的支架設置在差速齒輪8與U型板15之間，支架的上端和下端均設有用于U型板15的兩個側板導向的限位槽25，保證U型板15在彈簧17的作用下能夠沿直線運動；電磁鐵16通電吸附鐵片18，U型板15朝向差速齒輪8運動，側板卡入差速齒輪8的齒槽內現在齒輪的轉動；電磁鐵16斷電則U型板15在彈簧17的彈力作用下離開差速齒輪8。本實施例中支架也可以設置在U型板15遠離差速齒輪8的一端，電磁鐵16通電時U型板15遠離差速齒輪8，電磁鐵16斷電時U型板15卡住差速齒輪8。

進一步地，如圖16和圖17所示，本實施例中電機4沿手掌1的長度方向設置，差速器5包括第一殼體54和第二殼體55、多個行星齒輪56、第一半軸齒輪58和第二半軸齒輪59，差速器5的輸出半軸分為與第一半軸齒輪58固定連接的第一輸出半軸52和與第二半軸齒輪59固定連接的第二輸出半軸53；第一殼體54和第二殼體55均包括齒輪容納段和半軸連接段，第一殼體54和第二殼體55的齒輪容納段共同圍成齒輪容納腔；第一輸出半軸52與第一殼體54的半軸連接段可轉動連接，第二輸出半軸53與第二殼體55的半軸連接段固定連接；動力輸入齒設于第一殼體54遠離第二殼體55的端面邊緣處；第一殼體54的齒輪容納段內壁上設有多個用于連接行星齒輪56的轉軸。第一殼體54隨動力輸入齒輪51的轉動而轉動，并且第一殼體54作為了行星齒輪56的行星架，多個行星齒輪56隨著第一殼體54一起轉動，從而帶動第一半軸齒輪58和第二半軸齒輪59的轉動，實現第一輸出半軸52的轉動和第二輸出半軸53的轉動，由于第一輸出半軸52和第二輸出半軸53的運動阻力的不同，行星齒輪56自轉實現第一輸出半軸52和第二輸出半軸53的不同轉速。本發(fā)明實施例提供的差速器5結構簡單緊湊。優(yōu)選地，本實施例中差速器5采用塑料制成，減輕重量，注塑成型制作工藝更加簡單。

優(yōu)選地，本實施例中行星齒輪56設有三個，且三個行星齒輪56呈星型分布。在保證差速器5功能的情況下，提高了差速動力輸出與抗反向輸入的能力。與現有技術中設置兩個行星齒輪56的差速器5比較，本發(fā)明實施例提供的差速器5具備更強的輸出能力和反向承載能力，便于機械手手勢的保持。

進一步地，本實施例中手掌1內設有第一支架，第一支架包括兩個第一支撐板19，兩個第一支撐板19上均設有通孔，第一殼體54和第二殼體55的半軸連接段分別套設于兩個第一支撐板19的通孔內，并通過軸承20連接。實現了差速器5的支撐以及位置固定。

進一步地，本實施例中輸出半軸為空心軸，且輸出半軸用于連接差速齒輪8的一端開設有沿輸出半軸長度方向的U型槽57，差速齒輪8的中心孔處設有與U型槽57相配合的鍵。直接通過輸出半軸末端的U型槽57固定連接差速齒輪8整體結構更加緊湊，結構強度更好，且重量輕。

進一步地，本實施例中差速齒輪8的中心孔為臺階孔，包括靠近輸出半軸的第一孔段和遠離輸出半軸的第二孔段，第一孔段的直徑大于第二孔段的直徑；手掌1內設有第二支架，第二支架包括兩個第二支撐板21，第二支撐板21上設有通孔，兩個第二支撐板21分別位于兩個差速齒輪8遠離輸出半軸的一端，第二支撐板21與差速齒輪8通過穿過第二支撐板21的通孔和第二孔段的軸承銷22連接。第二支架的對于差速齒輪8的支撐使得差速齒輪8的受力更加均衡，結構更加穩(wěn)定。

優(yōu)選地，本實施例中兩個第二支撐板21之間設有連接板23，電機4固定于連接板23上。具體的，連接板23的中部設有開口，用于電機4輸出軸的穿過。進一步地，本實施例中連接板23還可以作為上述的用于固定差速鎖14中電磁鐵16的支架，整體結構更加簡單、緊湊。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的精神和范圍。